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Verfahren und Vorrichtung
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zum Behandeln von Rauchgasen
Beschreibung Ein Verfahren zum Behandeln
von Rauchgasen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-PS 2 656 868
bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt die Zwischenkühlung der Rauchgase,
bevor sie in die Tieftemperaturregeneratoren zum Ausfrieren der Schadstoffe eingeleitet
werden, durch Wärmeabgabe an ein Arbeitsmedium, das dabei verdampft und im Kreislauf
durch eine Arbeitsmachine zur Arbeitslei-6tunz~ geführt wird. Das bedeutet eine
relativ hohen Vorrichtungsaufwand für den Wärmeaustauscher, den Kreislauf des Arbeitsmediums,
die Arbeitsmaschine usw.. Auch die Verwendung der so gewonnenen elektrischen Energie
an Ort und Stelle ist nicht immer möglich und ihre Einspeisung in das allgemeine
Stromnetz häufig problematisch.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der genannten
Art so zu verbessern, daß eine besonders einfache und zweckmäßige Zwischenkühlung
der Rauchgase unter möglich vollständiger Nutzung der in ihnen enthaltenen Wärmeenergie
möglich ist.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Rauchgase zum
Abkühlen auf die Zwischentemperatur über die Wärmeaustauschfläche eines Regenerators
geleitet werden, die vom Eintritts- zum Austrittsende ein Temperaturgefälle bis
auf die Zwischentemperatur aufweist, und daß die Wärmeaustauschfläche dieses Regenerators
in einer zeitlich versetzten Charge durch Hindurchleiten eines Nutzgases im Gegenstrom
rickgekühlt wird und die Wärme an dieses abgibt.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, daß in Form des Regenerators
ein besonders einfaches, kostengünstiges und betriebssicheres Mittel zum Abkühlen
der Rauchgase auf Zwischentemperatur verwendet wird und daß der dabei gewonnene
Wärmeinhalt der Rauchgase unmittelbar an Ort und Stelle zur Nutzung in Form von
Nutzgaswärme zur Verfügung steht. Gemäß einer bevorzugten Ausftihrungsform der Erfinden
ist das Nutzgas die vorzuwärmende Verbrennungsluft, die dem Verbrennungsraum zugeführt
wird. Es ist hierdurch möglich,
den konventionellen Luftvorwärmer,
der bei üblichen Dampferzeugungskesseln einen erheblichen Teil des Platzbedarfes
und der Kostender Gesamtvorrichtung ausmacht, und der im übrigen einen relativ schlechten
Wirkungsgrad von nur ca.
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55# hat, völlig einzusparen, wodurch der Kessel wesentlich kleiner
und billiger gebaut werden und trotzdem die Vorwärmung der Verbrennungsluft mit
einem erheblich besseren Wirkungsgrad von über 90% aufgrund des direkten Wärmeübergangs
in dem Regenerator erzielt werden kann.
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Die Wärmeabgabe über den Regenerator an die Luft ist so effektiv,
daß ein wesentlich größeres Luftvolumen auf die Rauchgastemperatur erhitzt werden
kann, als im Feuerungsraum als Verbrennungsluft benötigt wird. Der überschüssige
Teil dieser vorgewärmten Luft kann z.B. in einer Dampferzeugungsanlage vorteilhaft
zum Vorwärmen des Kesselspeisewassers verwendet werden, und zwar vorzugsweise durch
direkten Wärmeaustausch mit einem Wirkungsgrad von ebenfalls über 90%. Damit kann
auch der übliche Speisewasservorwärmer (Economizer) des Dampferzeugungskessels entweder
ganz eingespart oder wenigstens stark verkleinert werden, der in der Regel einen
Wirkungsgrad von nur ca. 50% hat.
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Zur Durchführung des erfindungsgemä.ßen Verfahrens genügen zwei in
Gegentakt betriebene Regeneratoren, von denen der eine
jeweils mit
Rauchgasen beaufschlagt wird und diese auf die Zwischentemperatur abkühlt, während
der andere im Gegenstrom von Luft durchströmt wird, diese vorwärmt und dabei selbst
wieder auf das zum Kühlen der Rauchgase nötige Temperaturgefälle bis zur gewählten
Zwischentemperatur am unteren Ende gekühlt wird. Die Zwischentemperatur kann je
nach den gewünschten Erfordernissen gewählt werden und beträgt zweckmäßigerweise
ca. 50 bis 1000, um sicherzustellen, daß im wesentlichen der gesamte Wassergehalt
der Rauchgase in dem zwischengekühlten Rauchgas noch in Dampfform verbleibt, also
nicht in dem zur Zwischenkühlung verwendeten Regenerator kondensiert und dann von
der Vorwärmluft wieder in den Verbrennungsraum transportiert wird. Zu diesem Zweck
genügt aber bereits eine relativ wenig über Raumtemperatur liegende Zwischentemperatur,
die man insbesondere dann wählen wird, wenn der Wärmeinhalt der anschließend gereinigten
und auf die Zwischentemperatur rUckerwa#rmten Rauchgase nicht weiter genutzt werden
soll. Wählt man eine höhere Zwischentemperatur, vorzugsweise z.B. 90%, dann ist
es vorteilhaft, die anschließend gereinigten und auf die Zwischentemperatur rückerwärmten
Rauchgase einer Nutzung ihres Wärmeinhalts zuzuführen, beispielsweise zur Aufwärmung
von Heizwasser, was ebenfalls durch direkten Wärmeaustausch oder unter Zwischenschaltung
eines wasserunlöslichen Wärmeübertragungsmediums geschehen kann.
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Die Regeneratoren für die Zwischenkühlung der Rauchgase können von
den Tieftemperaturgeneratoren fiir Rauchgasreini-
gung getrennt
sein. Sie können mit ihnen aber auch baulich vereinigt sein, so daß ein und derselbe
Behälter mit einer Regeneratorfüllung im oberen Teil als "heißer" Regenerator für
die Zwischenkühlung der Rauchgase betrieben wird und durch eine Trennwand vom unteren
Teil getrennt ist, der als Tieftemperaturgenerator zum Ausfrieren der Schadstoffe
der Rauchgase verwendet wird. Die zwischengekühlten Rauchgase werden oberhalb der
Trennwand abgezogen und unterhalb der Trennwand wieder eingespeist, während die
gereinigten Rauchgase unterhalb der Trennwand abgezogen werden und die vorzuwärmende
Luft oberhalb der Trennwand in den oberen Teil des Regenerators eingespeist wird.
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Ausführunglsformenn der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher
beschrieben.
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Fig. 1 zeigt ein komplettes Fließschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Fig. 2 zeigt ein Fließsohema einer abgewandelten Augfthrungsform.
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Gemäß Fig. 1 ist eine Verbrennungskammer oder eine andere rauchgaserzeugende
Brennstelle mit 10 bezeichnet. Es kann sich um einen oder mehrere Öfen, Röstanlagen,
Zementöfen od. dgl.
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handeln, welche als Verbrennungsprodukte oder Abgase heiße Gase mit
Komponenten wie Stickstoff, Kohlendioxyd, Schwefeldioxid, Chlorwasserstoff, Schwefelwasserstoff,
Kohlenmonoxyd, Stickoxyde, Cyanwasserstoff und Kohlenwasserstoffe etc. abgeben.
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Brennstoff wird in den Verbrennungsraum 10 eingegeben, wie durch
einen Pfeil 11 angedeutet. Erfindungsgemäß kann ein Brennstoff verwendet werden,
der einen höheren Schwefelgehalt aufweist und daher auch billiger ist, weil der
Schwefel von Rauchgas entfernt wird.
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Luft oder Sauerstoff angereicherte Luft wird in die Verbrennungskammer
10 eingeblasen (Pfeil 12). Vorzugsweise ist ein Kompressor 13 vorgesehen, um die
Luft 12 aufzugeben, so daß die Brennkammer unter Druck arbeitet. Falls verfügbar,
wird vorgewärmte Druckluft in die Brennkammer 10 durch eine
Leitung
14 eingeführt. Durch den ueberdruck der Brennkammer 10 können ein oder mehrere spätere
Kompressionsstufen eingespart werden, wie noch erläutert wird. Ein Druck der Brennkammer
von 3 Bar würde genügen, um ohne Gebläse und Kompressor im Abgasstrom auszukommen.
Normalerweise jedoch kommen nach (Fig. 1) dem vorliegenden Verfahren große Abgasmengen
(bis zu 2,5 ~ 106 Nm3/h) zur Verarbeitung. Bei diesen großen Dimensionen kann man
aber in der Brennkammer keinen wesentlichen Überdruck halten. Es wurde daher wenigstens
ein Kompressor 213 zur Verdichtung des Rauchgases vorgesehen.
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Die Abgase, die aus der Brennkammer 10 kommen, werden (siehe Pfeile
15, 16, 17)weitergeleitet und durch ein Staubabscheidungasystem 20, 21, 22 geführt.
Ein Staubabscheider ist vorzugsweise als Zyklon dargestellt, wo Teilchen abgeschieden
werden, die größer sind, als 50 pm (siehe Pfeil 24). Die Abscheider 21, 22 sind
als Gewebefilter oder Niederschlagsgitter gedacht und sollten noch kleinere Teilchen
ausscheiden, wie Pfeile 25, 26 anzeigen. Die Staubabscheider 20, 21 22 sind isoliert,
um Wärmeverlust zu vermeiden. Die so entstaubten Rauchgase werden durch ein Rohrsystem
17 und 17a zur Zwischenkühlungsstufe 200 weitergeleitet. Die Stufe 200 wird so betrieben,
daß die Rauchgase vor der Aufgabe in den Kompressor 213 auf eine Zwischentempe
ratur
gekühlt werden und dann zur Weiterverarbeitung in die Gasreinigungsstufe 58 eingespeist
werden, wo die kondensierbaren von den nichtkondensierbaren Komponenten durch selektive
Kondensation bzw. Ausfrieren und Sublimieren getrennt werden. So erhält man ein
'@reines Abgas", das die Trennstufe 58 verläßt und abgeblasen oder einer Verwendung
zugeführt wird, um so noch ein Arbeitsmedium aufzuheizen.
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Die Stufe 200 besteht aus zwei identischen Regeneratoren 201, 203,
die eine Füllmasse beinhalten, die später noch beschrieben wird, wie sie auch in
den Regeneratoren 59, 61, 63 vorgesehen ist. Automatische Schaltventile 205a, 205b
sind an den Enden der Regeneratoren 201, 203 angebracht. Die Zuleitung 17a verbindet
also die Behälter 201 und 203 über die Ventile 205a und 205b. Die Leitung 209 verbindet
die Regeneratoren 201 und 203 mit den Verteilungsleitungen 53 der Gasreinigungsstufe
58. Das gereinigte Gas wird durch die Leitung 210 abgeleitet. Luft wird durch die
Kompressoren 221 im Gegenstrom durch den jeweils nicht mit Rauchgas beaufschlagten
Regenerator 201 bzw. 203 geleitet und auf dessen Kopftemperatur erwärmt.Die aufgewärmte
Luft verläßt das System durch die Leitung 211, die mit den Ventilen 205b verbunden
ist.
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Ein Kompressor 213 ist vorgesehen zwischen den Stufen 200 und 58.
Er wird gebraucht, wenn im Feuerraum nicht gentgend Druck eingehalten werden kann,
um das Rauchgas durch die Anlage zu
fördern. Die Leitungen 209
und 210 sind mit 215 und 217 verbunden, in welche entsprechende Regulierventile
vor dem Kompressor 213 eingesetzt sind, um die Regeneratoren 201 oder 203 wechselweise
in die Funktion des Rauchgaskühlens oder Luftvorwärmens zu versetzen. Die Regeneratoren
201 und 203 werden regelmäßig umgeschaltet. Während der erste Regenerator 201 das
Kühlen der Gase vollzieht, werden im anderen 203 die Gase bzw. Druckluft, die durch
Leitung 221 zugeführt wird, aufgeheizt. In der nächsten Phase werden die umgekehrten
Funktionen durchgeführt.
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So wird in der ersten Phase ein Regenerator 201 oder 203 zum Kühlen
verwendet und ihm die Gase staubfrei zugeführt, wobei die Ventile 205a geöffnet
sind. Wenn 201 zur Kühlung der Gase dienen soll, werden die Ventile 205a geöffnet,
während der Regenerator (203) nach Öffnung der Ventile 205b die Druckluft im Gegenstrom
aufwärmt und durch Leitung 211 abgibt. Das zwischengekühlte Rauchgas wird dann komprimiert
213 und durch die Leitung 209 und 53 in die Stufe 58 zur Reininrng weitergeleitet.
Wenn gewünscht, können noch andere zu reinigende Gase bei Umgebungstemperatur durch
Leitung 90 zugeführt werdn. Nach der Entschwefelung in der Stufe 58 mit den Regeneratoren
59, 61, 63, wird das gereinigte Gas durch Ventil 64c und Leitung 210 und 220 abgegeben.
Die Wärmeenergie, die im Regenerator 203 als Temperaturgefälle
gespeichert
wurde, wird wieder entnommen, wenn gereinigtes Gas oder vorzugsweise Druckluft durch
die Leitung 221 zugeführt wird. Die so aufgewärmte Druckluft geht durch die Rohrverbindung
207 und durch das obere Ventil 205b und Leitung 211 einer Verwendung zu, wie es
durch Leitung 14 angezeigt ist, wobei diese Druckluft zur Verbrennung im Feuerraum
10 gebraucht wird.
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In einer typischen Ausführung werden die hei#en Abgase bei einer
Temperatur von 2500 bis 350 0C in den Regenerator eintreten und werden je nach Bedarf
auf 500 bis 9000 zwischengekühlt. Bei dieser Temperatur werden sie dann komprimiert.
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Ein Nachkühler hinter dem Kompressor 213 braucht nicht vorgesehen
zu sein, weil die von ihm erzeugte Wärme des dann z.B. 9000 aufweisenden komprimierten
Gases im Regenerator der anschließenden Trennstufe verbleibt und vom Rauchgas wieder
aufgenommen wird, das dann in die Stufe 85 durch die Leitung 220 geleitet wird.
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Die Druckluft, die in den Regenerator 203 eintritt (durch Leitung
210), wird wieder fast auf die Temperatur des eintretenden Rauchgases aufgeheizt,
wobei nur eine Temperaturdifferenz von 5 bis 1000 vorliegt. Wenn aber aus irgendeinem
Grund die Rauchgewinnung der Wärme durch Aufheizung der Verbrennungsluft nicht erforderlich
oder unerwünscht ist, so kann das gereinigte Rauchgas, das aus der Anlage 58 kommt,
wieder aufgewärmt werden und dann eine Funktion übernehmen. Die Wärme-Energie würde
dann aus dem heißen gereinigten Gas entnommen, das dann durch
Leitung
211 abgeht.
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Die nächste Phase ist so wie beschrieben nur mit dem Unterschied,
daß Regenerator 203 die Funktion des Zwischenkühlens übernimmt und Regenerator 201
die Aufheizung durchführt. Es wird vorausgesetzt, daß der Regenerator 201 in der
vorhergehenden Phase aufgeheizt wurde, während 203 regeneriert wurde und das gekühlte
Gas aufnahm.
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Da die Regeneratoren 201 und 203 mit Rauchgas mit hohen Temperaturen
bis zu 35000 beschickt werden, kann man auch die Verbrennungsluft nahezu auf diese
Temperatur aufheizen, und damit den üblichen Luftvorwärmer des Kessels, der sonst
eine Austauschfläche von 60% bis 70% z.B. einer Dampferzeugungsanlllse einnimmt,
durch llegeneratoren ersetzen. Die Verwendung von Regeneratoren zum Zwischenkühlen
vor der eigentlichen Gasreinigung und die Wiedergewinnung der Wärme-Ernergie des
Rauchgases, ehe es abgeblasen wird, trägt zu einem höheren thermodynamischen Wirkungsgrad
des Systems bei, so daß die Konstruktion vereinfacht und Kosten reduziert werden.
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Die Gasreinigung und -trennung in der Stufe 58 wird wie in DE-PS
2 656 868 beschrieben durchgeführt, indem die Gase in kondensierbare und nicht kondensierbare
durch Ausfrieren und Sublimation der Schadstoffe getrennt werden und die
schweren
Fraktionen im Siedebereich zwischen C2+ und C4 festgehalten werden. Die Stufe 58
besteht aus drei gleichen Regeneratoren 59, 61,63. Jeder dieser Regeneratoren 59,
61, 63 ist mit einer Füllung gefüllt, die aus z.B.
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Keramik-Kugeln, Quarz-Steinen, Schrotkugeln u.ä. oder gerollte und
gerippte Aluminiumbänder besteht, die eine große Oberfläche haben im VerhEltnis
zum Volumen sowie eine verhältnismäßig hohe Wärmespeicherkapazität und gute Korrosionsfestigkeit.
Eine Schüttung in Regeneratoren hat 2 3 z.B. 3000-7000 m Oberfläche pro m Rauminhalt.
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Automatische Schaltventile 64a, 64b, 64c und 65a, 65c sind vorgesehen
an beiden Enden der Regeneratoren 59, 61, 63.
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Die Rohrverbindungen 67, 68 führen zu den Regeneratoren 59, 61, 63
über die Ventile 64a, 64b, 64c und 65a, 65c. Die Gaszuleitung 53 führt zum Ventil
64a. Eine Leitung für "Säure"-Gas 70 geht von den Ventilen 64b aus. Eine Vakuumpumpe
79 nimmt das Säure-Gas auf, und ist durch die Leitung 80 mit einem Kompressor 81
verbunden, der das Gas weiterbefördert durch Leitung 82. Eine Leitung 210 für gereinigtes
Rauchgas ist mit den Ventilen 64c verbunden. Die Leitungen 73 und 74, verbunden
mit den Ventilen 65a und 65c führen gereinigtes Rauchgas zu einer Expansionsturbine
75 und zurück. Durch die Turbine 75 wird durch Entspannung das Gas gekühlt, so daß
die Temperatur um ca. 50C absinkt, und -außerdem kann über einen Generator 76 Strom
erzeugt werden.
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In der Trennstufe 58 werden die Regeneratoren wechselweise in drei
Phasen betrieben. Während jeder der drei Phasen wird in jedem Regenerator ein anderer
Schritt des Verfahrens durchgeführt. So wird in einem der Regeneratoren 59, 61,
63 das Gas gekühlt und im anderen wieder aufgewärmt, während aus dem dritten zur
gleichen Zeit die ausgefrorenen Komponenten durch Vakuum abgesaugt werden.
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Eine Phase wird z.B. so durchgeführt, daß die Ventile 64a, 65a an
den Enden des Regenerators 59 und die Ventile 64c und 65c an den Enden des Regenerators
63 geöffnet werden. Die Gase strömen dann durch den Regenerator 59, wonach sie die
Turbine 75 treiben und durch den Regenerator 63 strömen. Die Gase expandieren in
der Turbine 75 und kühlen dabei ab, um dann den Regenerator 63 für die nächste Phase
vorzukühlen. Die Gase strömen in dieser Weise für eine kurze Dauer von ca. 6 bis
8 Minuten. Die Kühlung der Gase erfolgt durch adiabatische Entspannung in der Turbine
75, wobei ein Generator 76 angetrieben wird, der Strom abgibt.
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Das durch den bereits vorgekühlten Regenerator 59 strömende Gas kühlt
sehr schnell ab, indem es in intensiven Kontakt mit der kühlen Masse mit großer
Oberfläche kommt. Weniger flüchtige Komponenten kondensieren dabei aus und haften
an der festen Masse des Regenerators 59. Die flüchtigeren nicht kondensierten
und
gleichzeitig reinen Komponenten des Gases gehen durch, treiben die Turbine 75 und
strömen durch Regenerator 63.
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In der Turbine 75 expandiert das Gas, um die Temperatur zu erniedrigen,
und das Gas strömt durch den Regenerator 63 bei einem Druck von 0,3 bis 0,5 atü.
Der Druck, bei dem die Gase auf Regenerator 63 treffen, ist wichtig. Jedenfalls
soll das Druckverhältnis in der Turbine 75 so groß sein, daß die Gase genügend Kühlung
erfahren, ehe sie in Regenerator 63 eintreten, um diesen so zu kühlen, daß das System
ausbalanciert bleibt.
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Eine zweite Phase (die gleichzeitig mit den anderen in Regenerator
59 und 63 läuft) ist das Entladen des Regenerators 61, in dem die Kondensate und
Sublimate verblieben sind. Dieser Schritt wird so ausgeführt, daß die Ventile 65a
und 65c am unteren Ende des Regenerators 61 schließn, während das Ventil 64b öffnet,
um der Vakuumpumpe 79 das Absaugen der Gase zu ermoglichen, die schließlich im Kompressor
81 weiterbefördert werden.
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Die Vakuumpumpe 79 reduziert dabei den Druck in einem Verhaltnis von
ca. 1:10. Sowie der Druck reduziert wird im Regenerator 61 werden die ursprünglich
festgehaltenen Komponenten verdampft und somit abgezogen. Das "Säure"- oder Schadstoff-Gas,
das hauptsächlich Säurekomponenten enthält, wird im Kompressor 81
auf
Druck gebracht und durch die Leitung 82 weiterbefördert.
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Das Säure-Gas besteht hauptsächlich aus C02 und S02, H2S und SO Letztere
können neutralisiert werden, indem sie in einer Laugelösung gewaschen werden. Brennbare
Komponenten der zu neutralisierenden Gase werden vorzugsweise abgeschieden und einer
Nutzung zugeführt. Solche Gase können in der Brennkammer 10 eingesetzt werden.
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Die nächste Phase ist ähnlich wie die gerade beschrieben und geht
folgendermaßen vor sich: Die Gase werden durch die Leiunten 53 und ein Ventil 64a
in den vorgekühlten Regenerator 63 aufgegeben, wo die schwereren Komponenten durch
Ausfrieren und Sublimation ausgeschieden werden . Dann werden die Gase weiter gekühlt,
während sie in der Turbine 75 entspannt werden und gehen als gereinigte Gase durch
den vorbereiteten Regenerator 61, um diesen wieder abzukühlen, so daß die nächste
Phase beginnen kann und Gase aus der Leitung 53 strömen. Ein weiterer Schritt, der
gleichzeitig ausgeführt wird, ist das Abdampfen der Schadstoffe, die als Kondensat
im Regenerator 59 verblieben waren, wobei dieser Regenerator für den nächsten Gang
vorbereitet wird.
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Die nächste Phase ist ähnlich der vorhergegangenen. Die Gase strömen
durch die Leitung 53 in den Regenerator 61, wo wiederum schwerere Komponenten ausgefroren
werden und die kalten sauberen Gase gehen durch Regenerator 59, nachdem sie in
der
Turbine 75 weiter abgekühlt wurden. Ein weiterer Schritt ist das Verdampfen der
in Regenerator 63 festgehaltenen schwereren Fraktion. Diese Komponenten werden durch
eine Vakuumpumpe 79 abgesaugt und im Eompressor 81 verdichtet.
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Die neuen Gase,die auch wieder aufgewärmt werden, gehen durch Ventil
64c zur Überleitung 210 und werden durch die Rohre 220 abgegeben. Diese Gase können
an die Atmosphäre ausgestoßen werden ohne daß eine hohe Esse benötigt wird. Es besteht
aber auch die Möglichkeit, daß man für diese Gase Verwendung findet. Sollten sie
absolut trocken sein, könnte man sie in einem Verdunstungskühler einsetzen.
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Schadstoffhaltige Gase, die bei chemischen Prozessen entstehen, können
beigemischt werden, wie durch die Zuleitung 209 angezeigt ist und in der Anlage
58 gereinigt werden.
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Eine optimale Auslegung in Fig. 1 in der strichlierten Linie 90 angezeigt.
Eine Sammelleitung 101 kann genutzt werden, um Abgase von mehreren gasproduzierenden
Anlagen 102 zu sammeln.
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Entsprechende Kompressoren (hier nicht gezeigt) können in das Sammelsystem
101 eingebaut werden, umd ie so zusammengeführten Gase in die Verteilung 53 zu leiten.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 gelangen die Rauchgase aus dem
Feuerungsraum 10 über einen Staubabscheidezyklon 20 und Staubfilter 21 in die Zwischenkühlungsstufe
200, die aus zwei gleichen Regeneratortürmen 201, 203 besteht, die abwechselnd gegenphasig
getrieben werden. Die Regeneratoren 201, 203 sind mit einer Füllung aus einem wärmespeicherndem
Material mit großer Oberfläche versehen, z.B. mit Kies, Füllkörpern od.
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dgl., und haben im Betrieb ein Temperaturgefälle vom oberen bis zum
unteren Ende, wobei die Temperatur am oberen Ende der Eintrittstemperatur der heißen
Rauchgase, also ca. 250 bis 35000 entspricht, während die Temperatur am unteren
Ende der Zwischentemperatur entspricht, auf die die Rauchgase abgekühlt werden sollen,
also z.B ca. 45 bis 9000. Jeder Regenerator 201, 203 wird abwechselnd von oben nach
unten von Rauchgas durchströmt, um dieses abzukühlen, bzw. von unten nach oben mit
Luft durchströmt, um diese vorzuwärmen. Während einer Phase sind die Ventile 205a
und 206a des Regenerators 201 geöffnet, so daß die Rauchgase aus der Leitung 17
durch diesen Regenerator hindurchströmen und ihre Wärme an ihn abgeben. Ferner sind
gleichzeitig die Ventile 207b und 208b des anderen Regenerators 203 geöffnet, so
daß Luft mit Umgebungstemperatur über den Kompressor 221 durch den Regenerator 203
von unten nach oben hindurchgeleitet wird, diesen Regenerator wieder abkühlt und
dabei selbst bis auf nahezu die Temperatur der heißen Rauchgase, also 250 bis 350°C,
aufgewärmt wird. Die restlichen Ventile 207a, 208a, 205b und 206b
sind
geschlossen. In regelmäßigen Zeitabständen, z.B.
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6 bis 8 Minuten, wird auf die jeweils andere Phase umgeschaltet. In
der anderen Phase sind die Ventile 205b, 206, 207a und 208a geöffnet, so daß die
Rauchgase durch den Regenerator 203 und die vorzuwärmende Luft durch den Regenerator
201 strömt. Die jeweils im Regenerator 201 oder 203 aufgewärmte Luft wird Uber die
Leitung 21i abgezonen, und ein Teil davon wird als Verbrennungsluft über die Leitung
14 dem Feuerungsraum 10 zugeführt. Da die insgesamt in den Regeneratoren 201 und
203 aufgewärmte Luftmenge etwa dem Volumen der Rauchgase entspricht und daher wesentlich
größer ist als die Menge der im Feuerungsraum 10 benötigten Verbrennungsluft, kann
der restliche Teil der über die Leitung 211 abgezogenen aufgewärmten Luft einer
weiteren Nutzung zugeführt werden. Diese Luftmenge wird bei der dargestellten Ausführungsform
einem Vorwärmer 120 für Kesselspeisewasser zugeführt. Das kalte Wasser strömt über
die Leitung 121 zu, die heiße Luft wird durch das perforierte Rohr 122 in das Wasser
eingeblasen und gibt in direktem Wärmeaustausch seine Wärme an dieses ab, und das
vorgewärmte Wasser wird über die Leitung 123 abgezogen und als Kesselapeisewasser
zur Dampferzeugung dem als Dampferzeuger ausgebildeten Feuerungsraum 10 zugeführt.
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Die in den Regeneratoren 201 bzw. 203 abgekühlten Rauchgase werden
anschließend der Trennstufe 58' zugeführt, in der die Schadstoffe abgetrennt und
die Rauchgase gereinigt werden.
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Der Trennstufe 58' ist ein Kompressor 213 zum Verdichten der Rauchgase
vorgeschaltet, um zu gewährleisten, daß die gereinigten Rauchgase anschließend durch
Entspannung weitergekühlt werden können. Bei Verwendung des Kompressors 213 ist
es nicht nötig, den Feuerungsraum 210 unter Druck zu betreiben.
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Die Trennstufe 58' weist zwei Regeneratoren 59, 61 auf, die mit einer
Füllmasse mit großer Oberfläche und hohem Wärmespeichervermögen, wie z.B. Quarz,
Kies, keramische Füllkörper od. dgl. gefüllt sind, und die in Betrieb vom oberen
zum unteren Ende ein Temperaturgefälle aufweisen, wobei die Temperatur am oberen
Ende der Zwischentemperatur am unteren Ende der Stufe 200 entspricht, also z.B.
45 - 90 C beträgt, während die Temperatur am unteren Ende tiefer liegt als der Kondensationspunkt
der abzuscheidenden wnftrmi-en VerunreiriZunren, insbesondere der und z.B. 10000
oder weniger beträgt.
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Schwe£elverbindun#en'/Auch die egeneratoren 59, 61 werden mit Hilfe
der angegebenen Schaltventile abwechselnd gegenphasig betrieben. Während einer Phase
sind z.B. die Ventile 64a, 65a, 67b und 66b geöffnet, so daß die auf Zwischentemperatur
abgekühlten Rauchgase von oben nach unten durch den Regenerator 59 strömen, wo die
genannten Schadstoffe auf den tiefgekühlten
Füllkörperoberflächen
des Regenerators 59 ausgefroren und abgeschieden werden. Anschließend strömen die
so gereinigten Rauchgase durch eine Entspannungsturbine 75, wo sie durch Entspannung
gekühlt werden, und anschließend von unten nach oben durch den Regenerator 61, so
diesen vorkühlen und selbst wieder auf die Zwischentemperatur erwärmt werden. Zu
Beginn der betreffenden Phase befinden sich im Regenerator 61 noch die während der
vorhergehenden Phase aus den Rauchgasen niedergeschlagenen Schadstoffe. Diese werden
zu Beginn der nächsten Phase von der Front der aus der Entspannungsturbine 75 kommenden
gereinigten Rauchgase sofort wieder aufgenommen und von den Kühlflächen des Regenerators
61 entfernt. Während der ersten Sekunden jeder Phase erhält man daher vom oberen
Ende des Regenerators 61 einen Gasstrom mit hoher Konzentration an Schadstoffen
wie Schwefelverbindunren und dgl.. Dieses "Säuregas" wird über das Ventil 90 und
die Leitung 82 abgezogen und kann z.B einer Gaswäsche zugeführt werden. Die Menge
dieses weiter zu reinigenden Gases ist im Vergleich zur Gesamtmenge der Rauchgase
sehr gering, denn schon nach wenigen Sekunden sind alle Schadstoffe aus dem Regenerator
51 entfernt worden, und min erhält nun am oberen winde des Rerner#toro vereinigt
tes Rauchgas. Zu diesem Zeitpunkt, ca. 3 bis 20 Sekunden nach Beginn der Phase,
wird das Ventil 90 geschlossen und das Ventil 84 geöffnet, so daß nun das gereinigte
Rauchgas über die Leitung 220 abgezogen wird. Falls seine Temperatur, die der
Zwischentemperatur
am unteren Ende der Zwischenkühlstufe 200 entspricht, hoch genug ist, z.B. 45 -
9000 beträgt, kann dieses gereinigte Rauchgas einer weiteren Nutzung seines Wärmeinhalts
zugeführt werden. Bei der gezeigten Ausführungsform wird es in einem Wärmetauscher
85, der ähnlich dem Wärmetauscher 120 ist, zum Vorwärmen von Heizwasser verwendet.
Das kalte Wasser wird durch die Pumpe 86 zugeführt, und das erwärmte Wasser verläßt
den Wärmetauscher über die Leitung 87. Das gereinigte Rauchgas wird über ein perforiertes
Rohr 88 in das Wasser eingeblasen und verläßt den Wärmetauscher 85 über die Leitung
89 und kann nun unmittelbar in die Atmosphäre ausgestoßen werden.
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Die Ausführungsform von Fig. 2 unterscheidet sich somit von der nach
Fig. 1 einerseits durch die Verwertung des restlichen Wärmeinhalts der Rauchgase
und andererseits durch die Einsparung eines der drei Regeneratoren in der Trennstufe
58', was durch die Einführung einer kurzen "Auspuffphase" zu Beginn jeder Umschaltphase
der beiden Regeneratoren erreicht wird.
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Eine weitere, nicht dargestellte Ausführungaform unterscheidet sich
von der nach Fig. 2 dadurch, daß der heiße Regenerator 201 der Zwischenkühlatufe
mit dem kalten Regenerator 59 der Trennstufe baulich zu einer einzigen Regeneratorkolonne
vereinigt ist, und ebenso der Regenerator 203 mit dem Regenerator 61 baulich vereinigt
ist. Man hat somit insgesamt
nur zwei Regeneratorkolonnen, von
denen jede vom oberen zum unteren Ende ein Temperaturgefälle von der Rauchgastemperatur
bis zu einer Temperatur unter dem Kondensationspunkt der gasförmigen Schwefelverbindungen
u.dgl. aufweist. In einer paßend gewählten Zwischenhöhe ist jede dieser Regeneratorkolonnen
durch einen Zwischenboden unterteilt, so daß man einen oberen Teil hat, der zur
Zwischenabkühlung dient und dem Regenerator 201 bzw. 203 von Fig. 2 entspricht,
und einen unteren Teil, der zur Abtrennstufe gehört und dem Regenerator 59 bzw.
61 von Fig. 2 entspricht. Oberhalb und unterhalb des Zwischenbodens sind mit Ventilen
gesteuerte Zu- und Ableitungen in analoger Weise wie in Fig. 2 vorgesehen, so daß
während der einen Phase oberhalb des Zwischenbodens die zwischengekühlten Rauchgase
abgezogen und unterhalb des Zwischenbodens wieder eingeleitet werden, während in
der nächsten Phase unterhalb des Zwischenbodens die gereinigten Rauchgase abgezogen
und oberhalb des Zwischenbodens Luft oder ein anderes Nutzgas zur Vorkühlung des
oberen Teils der Regeneratorkolonne eingeleitet wird. Der wechselphasige Betrieb
erfolgt in gleicher Weise, wie anhand von Fig. 2 für die Regeneratoren 201 und 59
bzw. 203 und 61 beschrieben wurde.
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Wiederum sind die ersten Sekunden jeder Phase eine Auspuffphase, während
der die gereinigten und in den unteren Teil der einen Regeneratorkolonne wiedereingeleiteten
Rauchgase die zuvor dort ausgefrorenen Schadstoffe wiederauf- und mitnehmen.
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Abänderungen und Ausgestaltungen der gezeigten Ausführungsformen
sind möglich. So kann insbesondere der Wärmeübergang von den gereinigten Rauchgasen
auf ein Fernheizsystem od.dgl. nicht durch direktem Wärmeaustausch mit Wasser, sondern
über ein zwischengeschaltetes Wärmeaustauschmedium erfolgen, das vorzugsweise in
Wasser unlöslich ist, wie z.B. ein Öl oder eine andere bekannte organische Wärmeübertragungsflüssigkeit.
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Damit wird der Vorteil erzielt, daß in Wasser lösliche Schadstoffe
wie Schwefelverbindung od.dgl., die in den gereinigten Rauchgasen noch in kleinsten
Konzentrationen enthalten sein können, in das aufzuheizende Wasser gelangen.
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L e e r s e i t e